专家点评Nature | 生长素领域新突破！徐通达课题组发现新的生长素信号途径

生长素一种重要的植物激素，在生长发育和环境响应中发挥重要的调控作用。不同浓度的生长素对植物的调控作用也完全不同，但其浓度效应的作用机制目前尚不清楚。2019年4月3日，Nature 杂志在线发表了原中国科学院分子植物卓越中心上海植物逆境生物学研究中心徐通达研究员（现福建农林大学海峡联合研究院园艺中心教授）课题组完成的题为 TMK1-mediated auxin signalling regulates differential growth of the apical hook 的研究论文，报道了植物类受体蛋白激酶Transmembrane Kinase 1（TMK1）介导的生长素信号途径调控植物差异性生长的分子机制，揭示了一种新的生长素信号感知和传递机制。鉴于该研究是植物激素领域的一项重要进展，我们有幸邀请到兰州大学生命科学学院黎家教授和上海交通大学农业与生物学院薛红卫教授对该研究做了点评，以飨读者！

专家点评

徐通达研究团队发现全新生长素信号感知机制

生长素作为最早被发现的植物激素，参与调控植物生长发育及环境响应的许多过程，尽管对其信号感知已有较深入的研究，仍有一些问题有待进一步解析。比如，研究发现低浓度的生长素能够促进植物细胞伸长而较高浓度的生长素却又起到抑制伸长的功能，而且不同的植物组织对生长素浓度的反应不同。已有的报道大多集中于解释生长素如何促进细胞伸长，对于较高浓度生长素抑制细胞伸长的机制尚不清楚【1】。经典的生长素信号途径认为生长素在细胞核与其受体TIR1结合，通过降解与ARFs转录因子相互作用的阻遏蛋白来启动下游信号转导，达到促进细胞伸长的功能。但这不能解释为什么提高生长素的浓度到一定的域值反而抑制了细胞的伸长作用。

福建农林大学徐通达团队及其合作者发现生长素也能够被位于细胞膜上的生长素受体复合体感知【2】。近日的研究结果能够解释为什么较高浓度的生长素可以抑制细胞的伸长。该团队巧妙地利用了暗中培养的拟南芥幼苗具有顶端弯钩的生物学现象，发现在拟南芥顶端弯钩维持过程中，定位于细胞质膜的植物类受体激酶TMK1能够感知弯曲凹面较高浓度的生长素并通过一条与TIR1信号传递过程不同的信号途径抑制弯曲凹面细胞的伸长【3】。该研究发现较高浓度的生长素能诱导TMK1的胞内激酶结构域被某种未知的蛋白酶剪切并进入细胞核内，通过磷酸化ARFs的阻遏蛋白，如IAA32及IAA34，增加了它们的稳定性来阻止ARFs的转录活性，从而阻止细胞的伸长。而在弯钩的凸面生长素浓度较低，是通过传统的TIR1信号途径来促进细胞的伸长。新发现的生长素信号途径与经典的信号途径相互平行，但具有相反的生物学功能。该研究结果对理解植物激素通过剂量效应调节植物生长发育等过程具有重要的意义，是植物生长素乃至整个植物激素研究领域的突破性进展。

参考文献

【1】Weijers, D., and Wagner, D. (2016). Transcriptional Responses to the Auxin Hormone. Annu Rev Plant Biol 67, 539-574.

【2】Xu, T., Wen, M., Nagawa, S., Fu, Y., Chen, J.G., Wu, M.J., Perrot-Rechenmann, C., Friml, J., Jones, A.M., and Yang, Z. (2010). Cell surface- and rho GTPase-based auxin signaling controls cellular interdigitation in Arabidopsis. Cell 143, 99-110.

【3】Xu, T., Dai, N., Chen, J., Nagawa, S., Cao, M., Li, H., Zhou, Z., Chen, X., De Rycke, R., Rakusova, H., Wang, W., Jones, A.M., Friml, J., Patterson, S.E., Bleecker, A.B., and Yang, Z. (2014). Cell surface ABP1-TMK auxin-sensing complex activates ROP GTPase signaling. Science 343, 1025-1028.

专家点评

生长素是植物中最早发现的激素，在植物生长发育及与环境互作中发挥重要调节作用。生长素功能复杂，特别是其浓度效应和组织特异性，不同浓度生长素在植物不同组织呈现差异作用的机制及相关信号传递一直是植物科学最关注的领域之一。前期研究表明生长素在细胞核内被受体TIR家族蛋白感知后，通过促进转录抑制因子IAA蛋白的降解，从而释放转录因子ARF调控下游基因转录。但该信号途径并不能完全解释生长素功能的复杂性，探索生长素信号传递的新模式将有助于对生长素作用和植物生长调控的理解。

原中科院上海植物逆境生物学研究中心现福建农林大学徐通达研究组最近发现一条由细胞膜上TMK家族蛋白起始的全新的生长素信号途径。利用植物幼苗顶端弯钩的维持作为研究模型，研究人员解析了顶端弯钩内侧生长素聚集进而抑制局部生长的分子机制。研究发现，生长素的局部聚集直接促进膜蛋白TMK1的蛋白剪切，通过被剪切后的C末端蛋白将信号传递到细胞质和细胞核。有趣的是，被剪切后的TMK1的C端能够和一组非典型IAA蛋白IAA32和IAA34互作，通过磷酸化介导生长素对该组IAA蛋白的稳定。这和以前发现的生长素通过TIR1受体降解IAA蛋白完全相反，其原因在于IAA32和IAA34虽然属于IAA蛋白家族，但其缺失与TIR1结合的结构域，因此不能被TIR1信号途径调控，但却被TMK1信号特异性调控。IAA32和IAA34同样通过抑制转录因子ARF来调控下游基因表达，表明TIR1和TMK1巧妙地通过特异IAA蛋白来传递生长素信号，解答了高浓度生长素如何抑制植物的局部生长这个重要问题，也阐明了非典型IAA蛋白在介导生长素信号和植物发育调控中的作用模式。该结果不但为生长素领域的研究提供了全新的思路，也为植物其他信号通路的传递模式提供了借鉴。

论文解读

生长素作为植物最重要的激素之一调控了复杂的植物发育过程。不同浓度的生长素对植物的调控完全不同，但其浓度效应的作用机制目前尚不清楚。双子叶植物的顶端弯钩（apical hook）是研究不同生长素浓度导致差异性生长的重要模型。顶端弯钩对于双子叶植物种子在土壤中顺利萌发起着至关重要的作用，它的形成使得植物在出土过程中由弯钩处的下胚轴优先接触土壤，巧妙地保护了子叶与顶端分生组织不受土壤机械摩擦的损害。之前的研究表明，生长素的不对称分布对顶端弯钩的形成（formation）和维持（maintenance）至关重要【1，2】，但生长素是如何激活顶端弯钩处两侧的生长素信号通路，导致两侧细胞不对称生长的，相关研究仍然不清楚。

前期研究已经建立了生长素在细胞核内完整的信号通路，生长素被其受体TIR1家族蛋白感知后，能促进其下游转录抑制子IAA蛋白的泛素化降解，从而激活转录因子ARF来调控基因表达【3，4】。该信号通路在生长素的功能调控起着至关重要的作用，然而单一生长素信号信号通路并不能解释所有生长素相关的问题。

前期的研究报道了类受体激酶TMK（transmembrane kinase ）家族蛋白也参与生长素对植物细胞水平调控的信号传递【5】。在这项最新的研究中，徐通达课题组发现，TMK成员之一TMK1介导了生长素对于顶端弯钩发育的调控。在顶端弯钩维持阶段，其内侧细胞的高浓度生长素能促进TMK1剪切形成TMK1C末端片段并从细胞膜转运到细胞质和细胞核内，进而调控下游通路。通过探索，研究人员发现剪切后的TMK1C特异地和两个非经典Aux/IAA家族转录抑制子（IAA32和IAA34）互作并磷酸化IAA蛋白。Aux/IAA蛋白被报道是受到生长素细胞核内受体TIR1调控的转录抑制因子，并被TIR1介导的泛素化途径所降解。有意思的是，与TMK1C互作的IAA32/34并不具有与TIR1互作的结构区域，因此不能被TIR1所调控，这意味着TIR1介导的生长素信号途径和TMK1介导的生长素途径通过选择不同IAA蛋白来区分下游信号途径。更有意思的是，与之前报道的TIR1/AFB介导的生长素对Aux/IAA蛋白泛素化降解过程相反，生长素通过TMK1剪切后形成的TMK1C来稳定IAA32和IAA34蛋白，最终依然通过ARF转录因子来调控基因表达，在生长素聚集的地方抑制细胞生长，从而导致顶端弯钩内外侧的差异性生长。

生长素-TMK1-IAA32/34信号通路调控顶端弯钩维持阶段的工作模型图

在顶端弯钩外侧细胞中，生长素浓度较低，TMK1大多定位在细胞膜上。在顶端弯钩内侧细胞中，生长素浓度较高，生长素促进TMK1 C端片段剪切下来（TMK1C）进入细胞质和细胞核中，磷酸化IAA32和IAA34并使其稳定。IAA32和IAA34可以和ARF蛋白互作并抑制ARF的活性调控基因表达。

该研究阐明了一条新的生长素-TMK1-IAA32/34信号通路，一方面揭示了生长素通过TMK蛋白剪切的方式从细胞膜向细胞质和细胞核传递信号的新模式，另一方面揭示了生长素通过非典型IAA蛋白调控植物生长发育的分子机制。该信号通路解释了局部高浓度生长素抑制生长的分子机制从而解释了顶端弯钩维持阶段内外侧差异性生长的调控机制。该工作为生长素信号通路的研究开拓了新的思路，拓展了新的方向。

逆境中心-福农联合培养博士生曹珉，副研究员陈蓉，博士生李盼为该论文的共同第一作者，现福建农林大学教授徐通达（原逆境中心研究员）为唯一通讯作者。中科院上海逆境生物学研究中心为第一完成单位，福建农林大学海峡联合研究院园艺中心为合作完成单位。该研究工作得到了科技部重点研发计划青年项目，基金委优秀青年基金， 逆境中心和福建农林大学的经费，以及中国农大重点实验室开放基金的资助。

参考文献

1. Raz, V. & Ecker, J. R. Regulation of diferential growth in the apical hook of Arabidopsis. Development 126, 3661–3668 (1999).

2. Zádníková, P. et al. Role of PIN-mediated auxin efux in apical hook development of Arabidopsis thaliana. Development 137, 607–617 (2010)

3. Salehin, M., Bagchi, R. & Estelle, M. SCFTIR1/AFB-based auxin perception: mechanism and role in plant growth and development. Plant Cell 27, 9–19 (2015).

4. Weijers, D. & Wagner, D. Transcriptional responses to the auxin hormone. Annu. Rev. Plant Biol. 67, 539–574 (2016).

5. Xu, T. et al. Cell surface ABP1–TMK auxin-sensing complex activates ROP GTPase signaling. Science 343, 1025–1028 (2014).

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1069-7